电化学阻抗谱分析讨论省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、电化学阻抗谱分析讨论Analysis and Discussion of EIS第1页1.EIS理论分析2.EIS案例分析3.ZsimpWin第2页EIS理论分析理论分析电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy,EIS)给电化学系统施加一个频率不一样小振幅交流正弦电势波,测量交流电势与电流信号比值(系统阻抗)随正弦波频率改变,或者是阻抗相位角随改变。XYG()Ml给白箱(电化学系统M)输入一个扰动函数X,它就会输出一个响应信号Y用来描述扰动与响应之间关系函数,称为传输函数G()。若系统内部结构是线性稳定结构,则输出信号就是扰动信号线性函数。Y=
2、G()Xl 假如X为角频率为正弦波电流信号,则Y即为角频率也 为正弦电势信号,此时,传输函数G()也是频率函 数,称为频响函数,这个频响函数就称之为系统阻抗 (impedance),用Z表示。第3页EIS理论分析理论分析l函数G是一个随改变矢量,通惯用角频率(或普通频率f,=2f)复变函数来表示,即:若G为阻抗,则有:实部Z虚部Z|Z|(Z,Z)阻抗Z模值:阻抗相位角为 第4页EIS理论分析理论分析EIS技术就是测定不一样频率(f)扰动信号X和响应信号 Y 比值,得到不一样频率下阻抗实部Z、虚部Z、模值|Z|和相位角,然后将这些量绘制成各种形式曲线,就得到EIS抗谱。log|Z|/degBod
3、e plotNyquist plot高频区低频区第5页EIS理论分析理论分析EIS测量前提条件1.因果性条件(causality):输出响应信号只是由输入扰动信号引发。2.线性条件(linearity):输出响应信号与输入扰动信号之间存在线性关系。电化学系统电流与电势之间是动力学规律决定非线性关系,当采取小幅度正弦波电势信号对系统扰动,电势和电流之间可近似看作呈线性关系。当采取小幅度正弦波电势信号对系统扰动,电势和电流之间可近似看作呈线性关系。通常作为扰动信号电势正弦波幅度在通常作为扰动信号电势正弦波幅度在5mV左右,普通不超出左右,普通不超出10mV。3.稳定性条件(stability):扰
4、动不会引发系统内部结构发生改变,当扰动停顿后,系统能够回复到原先状态。可逆反应轻易满足稳定性条件;不可逆电极过程,只要电极表面改变不是很快,当扰动幅度小,作用时间短,扰动停顿后,系统也能够恢复到离原先状态不远状态,能够近似认为满足稳定性条件。第6页EIS理论分析理论分析1.因为采取小幅度正弦电势信号对系统进行微扰,电极上交替出现阳极和阴极过程,二者作用相反,所以,即使扰动信号长时间作用于电极,也不会造成极化现象积累性发展和电极表面状态积累性改变。所以EIS法是一个“准稳态方法”。2.因为电势和电流间存在线性关系,测量过程中电极处于准稳态,使得测量结果数学处理简化。3.EIS是一个频率域测量方法
5、,可测定频率范围很宽,因而比常规电化学方法得到更多动力学信息和电极界面结构信息。EIS特点第7页EIS理论分析理论分析简单电路基本性质正弦电势信号:正弦电流信号:-角频率-相位角第8页EIS理论分析理论分析1.电阻欧姆定律:纯电阻,=0,Nyquist 图上为横轴(实部)上一个点Z-Z写成复数:实部:虚部:第9页EIS理论分析理论分析写成复数:Nyquist 图上为与纵轴(虚部)重合一条直线Z-Z*电容电容容抗(),电容相位角=/2实部:虚部:第10页EIS理论分析理论分析 电组R和电容C串联RC电路串联电路阻抗是各串联元件阻抗之和Nyquist 图上为与横轴交于R与纵轴平行一条直线。实部:虚
6、部:第11页EIS理论分析理论分析4.电组R和电容C并联电路并联电路阻抗倒数是各并联元件阻抗倒数之和实部:虚部:消去,整理得:圆心为(R/2,0),半径为R/2圆方程第12页EIS理论分析理论分析电荷传递过程控制EIS假如电极过程由电荷传递过程(电化学反应步骤)控制,扩散过程引发阻抗能够忽略,则电化学系统等效电路可简化为:CdRctR等效电路阻抗:jZ=实部:虚部:消去,整理得:圆心为 圆方程半径为第13页EIS理论分析理论分析l电极过程控制步骤为电化学反应步骤时,Nyquist 图为半圆,据此能够判断电极过程控制步骤。l从Nyquist 图上能够直接求出R和Rct。l由半圆顶点可求得Cd。半
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